[Перевод] Спросите Итана: чем антиматерия принципиально отличается от материи?
Высокоэнергетические столкновения частиц могут приводить к появлению пар частица/античастица или фотонов, а аннигиляция пар частица/античастица также приводят к появлению фотонов, как показывают эти следы в пузырьковой камере. Но что определяет принадлежность частицы к материи или антиматерии?
У каждой известной частицы материи во Вселенной имеется антиматериальный двойник. У антиматерии есть множество свойств, сходных со свойствами нормальной материи, включая типы взаимодействий, массу, величину электрического заряда, и так далее. Но есть и несколько фундаментальных отличий. Однако две вещи по поводу взаимодействия частиц материи и антиматерии можно сказать с определённостью: если столкнуть частицу материи с её двойником из антиматерии, они мгновенно аннигилируют, превратившись в энергию, и в любом взаимодействии, создающем частицу материи, обязательно возникнет и её двойник из антиматерии. Так что же делает антиматерию особенной? Именно это хочет узнать наш читатель, который спрашивает:
Каковы различия между материей и антиматерией на фундаментальном уровне? Есть ли какое-то внутреннее свойство, заставляющее частицу становиться материей или антиматерией? Есть ли какое-то внутреннее свойство (типа спина), отличающее кварки и антикварки? Что придаёт приставку «анти» антиматерии?
Чтобы понять ответ на вопрос, необходимо взглянуть на существующие частицы (и античастицы).
Частицы и античастицы Стандартной Модели подчиняются всякого рода законам сохранения, но между фермионами и бозонами существуют фундаментальные различия
Это — Стандартная Модель элементарных частиц: полный набор открытых частиц в известной Вселенной. Они обычно делятся на два класса: бозоны с целыми спинами (…, -2, -1, 0, +1, +2, …), не принадлежащие ни к материи, ни к антиматерии, и фермионы с полуцелыми спинами (…, -3/2, -½, +½, +3/2, …), обязанные попадать в одну из двух категорий: материя или антиматерия. У любой частицы, какую вы только захотите создать, будет множество присущих ей свойств, определяемых тем, что мы называем квантовыми числами. У отдельной, изолированной частицы, это будут как знакомые вам свойства, так и несколько свойств, которые, возможно, окажутся для вас незнакомыми.
Возможные конфигурации электрона в атоме водорода удивительно сильно разнятся друг от друга, и всё же все они представляют одну и ту же частицу, находящуюся в немного разных квантовых состояниях. У частиц и античастиц также есть свои, присущие им неизменяемые квантовые числа, и они играют основную роль в определении того, принадлежит ли частица к материи, антиматерии, или ни к одной из категорий.
Из простых можно вспомнить массу и электрический заряд. К примеру, масса покоя электрона равна 9,11 × 10–31 кг, а его заряд равен -1,6 × 10–19 Кл. Также электроны могут связываться с протонами, что даёт атом водорода с набором спектральных линий и линий испускания/поглощения, зависящих от их электромагнитного взаимодействия. Спин электронов равняется +½ или -½, лептонное число +1, номер лептонного семейства +1 для первого из трёх (электрон, мю, тау) лептонных семейств (для простоты мы опустим такие числа, как слабый изоспин или слабый гиперзаряд).
Учитывая эти свойства электрона, можно задать вопрос — как должна выглядеть частица-двойник электрона из антиматерии, на основании правил, управляющих элементарными частицами.
В простом атоме водорода единый электрон движется по орбите вокруг одного протона. В атоме антиводорода один позитрон движется вокруг одного антипротона. Позитроны и антипротоны — двойники в антиматерии для электронов и протонов соответственно.
Величины всех квантовых чисел должны сохраняться. Но у античастиц знаки этих чисел необходимо обратить. Для антиэлектрона это означает, что у него должны быть следующие квантовые числа:
- масса покоя 9,11 × 10–31 кг,
- электрический заряд 1,6 × 10–19 Кл,
- спин -½ или +½,
- лептонное число -1,
- номер лептонного семейства -1.
Когда вы свяжете его с антипротоном, он должен породить точно такую же серию спектральных линий и линий поглощения/испускания, какую демонстрирует система электрон/протон.
Электронные переходы в атоме водорода и длины волн получающихся фотонов демонстрируют эффект связующей энергии и взаимодействие между электроном и протоном в квантовой физике. Идентичность спектральных линий у позитронов и антипротонов подтверждена.
Все эти факты были экспериментально подтверждены. Частица, точно соответствующая описанию антиэлектрона, известна, как позитрон. Это необходимо, если учесть, как мы создаём материю и антиматерию: обычно мы создаём их из ничего. То есть, если столкнуть две частицы на достаточно высоких энергиях, часто можно получить дополнительную пару частица/античастица из излишков энергии (из Эйнштейновского E=mc2), по закону сохранения.
Сталкивая частицу с античастицей можно ожидать, что они аннигилируют, превратившись в энергию. А из этого следует, что столкнув две любых частицы с достаточно большой энергией, можно создать пару частица/античастица
Но должна сохраниться не только энергия; есть ещё целая гора квантовых чисел, которые тоже нужно сохранить! Сюда входят:
- электрический заряд,
- угловой момент (комбинация спина и орбитального углового момента; для отдельных частиц это просто спин),
- лептонное число,
- барионное число,
- номер лептонного семейства,
- цветной заряд.
И из всех этих внутренних свойств два определяют принадлежность к материи и антиматерии — барионное число и лептонное число.
В ранней Вселенной было чрезвычайно много всех частиц и их античастиц, но по мере её охлаждения большая часть частиц аннигилировала. Вся имеющаяся у нас обычная материя возникла из кварков и лептонов, с положительными барионными и лептонными числами, превысивших по количеству их двойников, антикварков и антилептонов.
Если любое из этих чисел положительное, то частица принадлежит к обычной материи. Поэтому кварки (с барионным числом +⅓), электроны, мюоны, тау, нейтрино (с лептонным числом +1) принадлежат к материи, а антикварки, позитроны, антимюоны, антитау, антинейтрино — к антиматерии. Это всё фермионы и антифермионы, и каждый фермион — это частица материи, а антифермион — частица антиматерии.
Частицы Стандартной Модели с массами в МэВ/с2, указанными в левых верхних углах. Три левых столбца — фермионы, два правых — бозоны. И хотя у всех частиц есть своя античастица, к материи или антиматерии относятся только фермионы.
Но существуют ещё и бозоны. Есть глюоны, античастицы которых — глюоны с противоположными цветовыми комбинациями; есть W+ с античастицей W- (с противоположным электрическим зарядом); есть Z0, бозон Хиггса, и фотон, античастицами которых являются они сами. Однако бозоны не относятся ни к материи, ни к антиматерии. Без лептонного или барионного чисел эти частицы могут обладать электрическим зарядом, цветным зарядом, спином, и т.п. –, но никто не может называть их «материей» или «антиматерией». В данном случае, бозоны — это просто бозоны, а если у них нет заряда, то они сами себе античастицы.
На всех масштабах Вселенной, от нашего региона до межзвёздного пространства, от отдельных галактик до скоплений и нитей и великой космической паутины, всё, что мы наблюдаем, видится нам состоящим из обычной материи, но не из антиматерии. Эта загадка остаётся неразгаданной.
Так что же придаёт антиматерии приставку «анти»? Если взять отдельную частицу, то её античастица будет иметь ту же массу, и все те же квантовые числа с обратным знаком: это частица, способная аннигилировать с первой и превратиться в энергию. Но чтобы быть материей, у частицы должно быть позитивным либо барионное, либо лептонное число. Чтобы быть антиматерией, нужно иметь негативным либо барионное, либо лептонное число. Кроме этого в нашей Вселенной неизвестно никаких фундаментальных причин, по которым бы материя чем-то превосходила антиматерию; мы до сих пор не знаем, как была нарушена эта симметрия (хотя идеи у нас есть). Если бы всё пошло по-другому, мы бы, наверно, называли всё, из чего мы состоим, «материей», а остальное — «антиматерией», но названия эти даются произвольно. Как всегда, Вселенная находится на стороне тех, кто выжил.
